Luận văn: Tính toán quá trình sản xuất Iodine-125 từ Xenon-124 trong lò phản ứng

Luận văn phân tích và tính toán quá trình sản xuất đồng vị Iodine-125 từ khí Xenon-124 bằng phương pháp chiếu xạ nơtron nhiệt trong lò phản ứng.

• Tác giả: Đoàn Thị Thu Hiền
• Người hướng dẫn: Nguyễn Thế Nghĩa
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
• Đề tài: Tính toán quá trình sản xuất Iodine - 125 từ khí Xenon - 124 chiếu xạ bởi dòng nơtron nhiệt trong lò phản ứng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và từ khóa
• Danh mục hình vẽ và biểu đồ
• Danh mục bảng
• MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: Tổng quan về sản xuất đồng vị phóng xạ trong lò hạt nhân nghiên cứu
• 1.1. Sản xuất đồng vị trong lò nghiên cứu
• 1.2. Phản ứng hạt nhân
• 1.2.1. Năng lượng của nơtron trong trường lò
• 1.2.2. Các loại phản ứng hạt nhân với nơtron
• 1.2.3. Tiết diện phản ứng
• 1.2.4. Tính toán hiệu suất đồng vị phóng xạ
• 1.3. Kỹ thuật chiếu xạ
• 1.4. Lựa chọn vật liệu bia
• 1.5. Những ứng dụng của đồng vị phóng xạ Iodine - 125 trong y học hạt nhân
• 2. Chương 2: Tính toán quá trình sản xuất Iodine – 125 từ khí Xenon – 124 chiếu xạ bởi dòng nơtron nhiệt trong lò phản ứng
• 2.1. Quá trình sản xuất Iodine - 125
• 2.1.1. Dạng phân rã và năng lượng
• 2.2. Vật liệu bia
• 2.3. Sơ đồ nguyên lý quá trình sản xuất Iodine - 125
• 2.4. Sơ đồ tích lũy ròng của quá trình bắn bia Xenon tự nhiên trong lò phản ứng [5]
• 2.5. Mô tả toán học quá trình tạo thành và phân rã của các hạt nhân khi chiếu xạ bia Xenon tự nhiên
• 2.6. Giao diện của chương trình tính toán
• 3. Chương 3: Kết quả tính toán và bàn luận
• 3.1. Kiểm chứng kết quả tính toán
• 3.2. Sản xuất theo mẻ gián đoạn
• 3.2.1. Sử dụng bia Xenon tự nhiên
• 3.2.2. Sử dụng bia Xenon - 124 có độ giàu >99%
• 3.3. Sản xuất theo vòng lặp tuần hoàn
• 3.3.1. Sử dụng bia Xenon tự nhiên
• 3.3.2. Sử dụng bia Xenon - 124 có độ giàu >99%
• 3.4. Tính toán thời gian chiếu xạ tối ưu cho sản xuất Iodine - 125 tại lò Đà Lạt
• 3.4.1. Sử dụng bia Xenon tự nhiên chiếu xạ tại kênh chiếu ướt; Φ = 9.10¹² n/cm²/s
• 3.4.2. Sử dụng bia Xenon giàu chiếu xạ tại hốc bẫy nơtron; Φ = 2.10¹³ n/cm²/s
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới Thiệu về Sản Xuất Iodine 125 từ Xenon 124

Iodine-125 (I-125) là đồng vị phóng xạ có ứng dụng rộng rãi trong y học hạt nhân và nghiên cứu khoa học. Quá trình sản xuất I-125 từ khí Xenon-124 (Xe-124) thông qua phản ứng hạt nhân là một trong những phương pháp hiệu quả nhất. Phương pháp này dựa trên bombardment của tạo nên các hạt nhân không ổn định, sau đó phân rã thành I-125. Sự chuyển đổi này yêu cầu các điều kiện kỹ thuật chặt chẽ và kiến thức sâu về vật lý hạt nhân để đạt hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tối ưu.

1.1. Tính Chất Cơ Bản của Xenon 124 và Iodine 125

Xenon-124 là một đồng vị ổn định với số khối 124, thường được sử dụng làm nguyên liệu ban đầu. Iodine-125 có chu kỳ bán rã 59,4 ngày, làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng y tế. Khối lượng nguyên tử của Xe-124 là 123,906 u, trong khi I-125 là 124,905 u. Sự khác biệt nhỏ này phản ánh sự thay đổi năng lượng liên kết trong hạt nhân.

II. Quy Trình Phản Ứng Hạt Nhân và Tính Toán

Quá trình sản xuất Iodine-125 từ Xenon-124 chủ yếu sử dụng phản ứng (p,n) hoặc (n,γ) trong các máy gia tốc hạt nhân. Phản ứng (p,n) liên quan đến bombardment bằng proton, tạo ra các đồng vị trung gian không ổn định. Tính toán hiệu suất phản ứng đòi hỏi xác định mặt cắt ngang (cross-section) phản ứng, năng lượng hạt nhân, và thời gian chiếu xạ. Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến lượng I-125 được sản xuất và độ tinh khiết của sản phẩm cuối cùng.

2.1. Phương Trình Phản Ứng và Cơ Chế

Phản ứng điển hình: Xe-124(p,n)Cs-124. Proton có năng lượng 10-30 MeV va chạm với hạt nhân Xenon-124, tạo ra Cesium-124 không ổn định. Cesium-124 sau đó phân rã beta âm thành Barium-124, rồi tiếp tục phân rã tạo thành Iodine-125. Hiệu suất phản ứng phụ thuộc vào năng lượng proton và cường độ chùm hạt. Tính toán chính xác cần sử dụng các mô hình vật lý hạt nhân hiện đại để dự đoán mặt cắt ngang phản ứng.

III. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng đến Hiệu Suất Sản Xuất

Hiệu suất sản xuất Iodine-125 phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng bao gồm năng lượng đầu vào, thời gian chiếu xạ, nhiệt độ và áp suất của target Xenon-124. Độ tinh khiết ban đầu của Xenon-124 cũng đóng vai trò quan trọng, vì các tạp chất có thể gây ra các phản ứng phụ không mong muốn. Hơn nữa, cấu hình hình học của buồng phản ứng và công suất của máy gia tốc ảnh hưởng đến mức độ tương tác hạt nhân. Để tối ưu hóa sản xuất, cần thiết thực hiện các phép tính chi tiết về năng lượng và mặt cắt ngang phản ứng.

3.1. Tối Ưu Hóa Điều Kiện Chiếu Xạ

Để đạt hiệu suất tối đa, năng lượng proton thường được thiết lập ở mức 15-20 MeV. Thời gian chiếu xạ cần được tính toán dựa trên phương trình động học hạt nhân, xem xét tốc độ tạo ra và tốc độ phân rã. Công suất chùm nên được duy trì ở mức ổn định để tránh quá nhiệt ở target. Bảo vệ nhiệt độ bằng hệ thống làm mát hiệu quả giúp bảo tồn Xenon-124 và tăng tuổi thọ thiết bị. Giám sát thường xuyên bằng các công cụ phổ phân tích đảm bảo chất lượng sản phẩm.

IV. Ứng Dụng và Ý Nghĩa Của Iodine 125

Iodine-125 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng y tế, đặc biệt là trong xạ trị khối u não, ung thư tuyến tiền liệt, và các bệnh lý khác. Trong nghiên cứu khoa học, I-125 được dùng làm chất nhãn hiệu (tracer) để theo dõi các quá trình sinh học ở cấp độ phân tử. Chu kỳ bán rã 59,4 ngày của I-125 cung cấp thời gian đủ để tiến hành các thử nghiệm kéo dài trong khi giảm thiểu phơi nhiễm bức xạ. Sự sẵn có của I-125 từ sản xuất hạt nhân có kiểm soát đảm bảo cung cấp ổn định cho y học lâm sàng và nghiên cứu.

4.1. Vai Trò trong Y Học Hạt Nhân và Nghiên Cứu

Trong xạ trị, các hạt nhân I-125 được cấy ghép trực tiếp vào khối u, phát hành tia gamma và electron để tiêu diệt tế bào ung thư. Trong nghiên cứu, I-125 được nhãn hiệu trên các hợp chất sinh học để nghiên cứu cơ chế tác dụng của thuốc. Hiệu quả cao và tính an toàn tương đối của I-125 làm nó trở thành một trong những đồng vị phóng xạ quan trọng nhất trong y học hạt nhân hiện đại. Sản xuất chính xác I-125 từ Xe-124 là chìa khóa để duy trì chất lượng và tính hiệu quả của các ứng dụng này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Chiến lược phát triển và ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình theo Quyết định số 01/2006/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ đã đặt mục tiêu bảo đảm tự chủ 50% nhu cầu đồng vị và dược chất phóng xạ trong nước. Đến nay, cả nước đã hình thành mạng lưới gồm 35 cơ sở y học hạt nhân với hơn 45 thiết bị xạ hình hiện đại, 6 hệ máy gia tốc Cyclotron và Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt công suất 500 kW cung cấp từ 350 đến 400 Ci mỗi năm cho 25 trung tâm ung bướu trên toàn quốc.

Mặc dù vậy, đồng vị phóng xạ Iodine-125 với chu kỳ bán rã 59,4 ngày, phát bức xạ gamma mềm 35,5 keV và tia X đặc trưng 28 keV – vốn là tiêu chuẩn vàng trong kỹ thuật cấy hạt phóng xạ điều trị ung thư tuyến tiền liệt và u não – vẫn chưa thể sản xuất trong nước mà hoàn toàn phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu. Tại Bệnh viện Bạch Mai, phương pháp cấy hạt Iodine-125 kích thước 4,5 x 0,8 mm triển khai từ năm 2015 đã mang lại kết quả khả quan khi giúp hơn 10 bệnh nhân ung thư tuyến tiền liệt giảm 100% triệu chứng bệnh và bảo tồn trọn vẹn mô lành xung quanh khối u.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn cấp bách đó, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý nguyên tử tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tập trung giải quyết bài toán: "Tính toán quá trình sản xuất Iodine-125 từ khí Xenon-124 chiếu xạ bởi dòng nơtron nhiệt trong lò phản ứng". Nghiên cứu hướng đến mục tiêu xây dựng mô hình toán học giải tích, lập trình thuật toán mô phỏng động học tạo thành và phân rã các đồng vị phóng xạ, từ đó xác định bộ thông số công nghệ tối ưu cho Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ở các dải thông lượng từ 9.10^12 n/cm^2/s đến 2.10^13 n/cm^2/s. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật to lớn, tạo tiền đề khoa học vững chắc giúp giảm thiểu rủi ro vận hành mẫu nóng và tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí thử nghiệm thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Quá trình sản xuất Iodine-125 dựa trên phản ứng kích hoạt nơtron nhiệt hạt nhân Xenon-124: 124Xe(n,γ)125Xe. Đồng vị trung gian Xenon-125 có chu kỳ bán rã 18 giờ, phân rã thông qua cơ chế bắt electron (EC) để chuyển hóa thành Iodine-125 có chu kỳ bán rã 59,4 ngày. Tiết diện kích hoạt nơtron nhiệt của Xenon-124 đạt 128 barn cùng tích phân cộng hưởng nơtron trên nhiệt đạt 3600 barn.

Song song với quá trình tạo thành hạt nhân mục tiêu, phản ứng phụ thứ cấp xảy ra do sự bắt nơtron của chính sản phẩm: 125I(n,γ)126I với tiết diện rất lớn lên tới 894 barn và tích phân cộng hưởng 13730 barn. Đồng vị tạp chất Iodine-126 có chu kỳ bán rã 13 ngày, phát tia gamma năng lượng cao gây độc tính phóng xạ nghiêm trọng đối với mô lành của bệnh nhân. Tiêu chuẩn quốc tế của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) đòi hỏi tỷ lệ tạp chất Iodine-126/Iodine-125 trong dược chất thành phẩm bắt buộc phải dưới mức 1% (tối ưu là dưới 0,9%) và hoạt độ riêng phải đạt trên 600 GBq/mg (tương đương trên 16000 Ci/g).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu vật lý hạt nhân chuẩn quốc tế từ IAEA, bao gồm hệ tiết diện phản ứng nơtron nhiệt, tích phân cộng hưởng và hằng số phân rã phóng xạ của 9 hạt nhân đồng vị trong chuỗi phản ứng Xenon và Iodine.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu mô phỏng, đề tài tiến hành khảo sát trên hai nhóm vật liệu bia chính: nhóm bia khí Xenon tự nhiên (hàm lượng Xenon-124 chiếm 0,095%) với khối lượng bia từ 15 gram đến 50 gram, và nhóm bia khí Xenon làm giàu (độ giàu Xenon-124 đạt từ 1% đến trên 99,9%) với khối lượng bia tiêu chuẩn từ 0,4 gram đến 0,5 gram. Cỡ mẫu và dải khối lượng này được lựa chọn dựa trên dung tích thể tích thực của ống chiếu nhôm chuẩn và giới hạn an toàn áp suất khí nén trong kênh chiếu lò phản ứng hạt nhân.

Phương pháp phân tích cốt lõi là thiết lập hệ phương trình vi phân động học phi tuyến mô tả tốc độ biến thiên mật độ hạt nhân theo thời gian. Thuật toán tích phân số Runge-Kutta bậc 4 (RK4) được lập trình hướng đối tượng trên ngôn ngữ Visual Basic 6.0 chạy trên hệ điều hành Windows. Lý do lựa chọn thuật toán RK4 là nhờ tính ổn định số vượt trội, sai số cục bộ ở cấp O(h^5), giúp tính toán chính xác đồng thời cả 9 chuỗi tích lũy hạt nhân trong khoảng thời gian chiếu xạ từ 10 đến 300 giờ và thời gian làm nguội từ 20 đến 90 ngày suốt giai đoạn nghiên cứu 2017 - 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả kiểm chứng mô hình tính toán với số liệu công bố chuẩn của IAEA cho thấy độ tương thích xuất sắc với sai số tương đối dưới 0,3%. Cụ thể, khi chiếu 15 gram Xenon tự nhiên ở thông lượng 5.10^13 n/cm^2/s trong 200 giờ và làm nguội 40 ngày, sản lượng Iodine-125 tính toán đạt 29,074 GBq so với 29,15 GBq của IAEA; hàm lượng tạp chất Iodine-126 đạt 0,996% và hoạt độ riêng đạt 608,70 GBq/mg. Đối với bia 0,4 gram Xenon giàu trên 99% chiếu 10 giờ, sản lượng đạt 53,98 GBq so với số liệu 50,71 GBq của IAEA.

Đối với phương pháp sản xuất theo mẻ gián đoạn (Batch Process), khi chiếu 50 gram Xenon tự nhiên trong 20 ngày, việc tăng thông lượng nơtron từ 5.10^12 n/cm^2/s lên 10^14 n/cm^2/s giúp tổng hoạt độ Iodine-125 tăng vọt từ 1 Ci lên hơn 14 Ci. Tuy nhiên, thông lượng cao làm tăng mạnh tỷ lệ cháy hạt nhân, khiến hàm lượng tạp chất Iodine-126 tăng từ 1% lên tới 20%, đòi hỏi thời gian làm nguội kéo dài hơn 60 ngày. Trong khi đó, với bia 0,5 gram Xenon làm giàu 99,9% chiếu 17 giờ ở thông lượng 4.10^14 n/cm^2/s, hoạt độ thu được đạt tới 26111,59 mCi với tỷ lệ tạp chất Iodine-126 chỉ 0,82% và hoạt độ riêng đạt mức cực cao 17326,58 Ci/g.

Đối với phương pháp sản xuất theo chu trình lặp tuần hoàn (Loop Process), việc chiếu 15 gram Xenon tự nhiên ở thông lượng 10^14 n/cm^2/s theo chu kỳ 17 giờ chiếu xạ và 113 giờ phân rã qua 10 vòng lặp (tổng thời gian 47 ngày) đã tạo ra bước đột phá công nghệ: tổng hoạt độ Iodine-125 đạt trên 5,8 Ci (5809,23 mCi), tỷ lệ tạp chất Iodine-126 trong sản phẩm cuối cùng chỉ chiếm 0,413% (thấp hơn nhiều so với ngưỡng 1%) và hoạt độ riêng đạt 16786,08 Ci/g.

Thảo luận kết quả

Các kết quả phân tích động học được thể hiện trực quan thông qua các biểu đồ đường tích lũy hoạt độ và bảng đối sánh đa thông số. Đồ thị biểu diễn hoạt độ Iodine-125 trong buồng phân rã chỉ ra rằng thời gian làm nguội 113 giờ tương đương hơn 6 chu kỳ bán rã của Xenon-125, bảo đảm hơn 90% lượng Xenon-125 chuyển hóa hoàn toàn thành Iodine-125 trước khi thu hồi khí Xenon để tái chiếu xạ.

Hiện tượng suy giảm hoạt độ riêng từ 17218 Ci/g ở vòng lặp thứ nhất xuống còn 16786 Ci/g ở vòng lặp thứ 10 được giải thích là do sự tích tụ không thể tránh khỏi của đồng vị bền Iodine-127 với hàm lượng 11,1 phần triệu gram (ppm). So với các công bố quốc tế từ các trung tâm nghiên cứu tại Hoa Kỳ, Nga và Ấn Độ, phương pháp tuần hoàn khí Xenon liên tục giúp giảm thiểu tối đa hiện tượng tự hấp thụ và cháy nơtron của Iodine-125 trong vùng hoạt, cho phép tận dụng nguồn khí Xenon tự nhiên có chi phí thấp mà vẫn thu được dược chất đạt tiêu chuẩn y tế khắt khe.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt cần ưu tiên thiết kế và lắp đặt hệ thống chiếu xạ vòng lặp tuần hoàn kín chuyên dụng nối từ vùng hoạt lò phản ứng đến buồng làm lạnh thu hồi khí trong giai đoạn 2026 - 2028, hướng tới mục tiêu sản xuất ổn định từ 100 đến 150 Ci Iodine-125 mỗi năm đáp ứng nhu cầu nội địa.

Thứ hai, tối ưu hóa quy trình vận hành chiếu xạ thực tế tại Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt theo hai phương án: bố trí chiếu bia Xenon giàu (khối lượng 0,5 gram, độ giàu trên 99%) tại hốc bẫy nơtron trung tâm với thông lượng 2.10^13 n/cm^2/s trong thời gian từ 15 đến 17 giờ; hoặc bố trí chiếu bia Xenon tự nhiên (khối lượng 50 gram) tại kênh chiếu ướt với thông lượng 9.10^12 n/cm^2/s, bảo đảm thời gian làm nguội phân rã tối thiểu 113 giờ để giữ tỷ lệ tạp chất Iodine-126 dưới 0,5%.

Thứ ba, Bộ Khoa học và Công nghệ cùng Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam cần đầu tư nguồn kinh phí xây dựng hệ thống bẫy lạnh chân không để thu hồi khí Xenon-124 với hiệu suất thu hồi đạt trên 95%, giúp tiết giảm từ 30% đến 40% chi phí nguyên liệu đắt đỏ trong các đợt chiếu xạ dài ngày.

Thứ tư, Cục An toàn Bức xạ và Hạt nhân phối hợp với các bệnh viện chuyên khoa ung bướu như Bệnh viện Bạch Mai và Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về đóng gói hạt titan chứa Iodine-125 chuẩn GMP-WHO trước năm 2027 nhằm hoàn thiện chuỗi giá trị từ sản xuất lò hạt nhân đến ứng dụng lâm sàng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư vật lý lò và chuyên viên vận hành hạt nhân: Nắm vững bộ công cụ giải thuật và mô hình phân bố dòng nơtron để tính toán hiệu suất kích hoạt, thời gian cháy bia và tối ưu hóa thời gian dừng lò cho các kênh chiếu mẫu nóng.

Nhóm chuyên gia hóa - dược phóng xạ: Ứng dụng các quy trình công nghệ chưng cất, bẫy khí hóa lỏng và kỹ thuật hấp thụ Iodine-125 trong dung dịch kiềm NaOH 0,05M nhằm điều chế dung dịch NaI đạt hoạt độ riêng trên 16000 Ci/g.

Nhóm bác sĩ xạ trị và kỹ sư y vật lý tại các bệnh viện ung bướu: Nắm bắt chi tiết các thông số bức xạ học, phổ năng lượng tia gamma 35,5 keV và mức độ tinh khiết hạt nhân của hạt phóng xạ Iodine-125 để lập kế hoạch phân liều xạ trị áp sát chính xác cho khối u tuyến tiền liệt.

Nhóm học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Vật lý hạt nhân: Kế thừa thuật toán tích phân số Runge-Kutta bậc 4 và cấu trúc mã nguồn Visual Basic để mở rộng mô hình tính toán cho các đồng vị phóng xạ tiềm năng khác như Samarium-153, Strontium-89, Rhenium-186 và Rhenium-188.

Câu hỏi thường gặp

Iodine-125 có ưu điểm vượt trội gì trong điều trị ung thư tuyến tiền liệt so với các đồng vị phóng xạ khác?
Iodine-125 phát tia gamma năng lượng thấp 35,5 keV với quãng chạy trong mô mềm chỉ vài milimét và chu kỳ bán rã 59,4 ngày. Đặc tính này cho phép tiêu diệt triệt để tế bào ung thư tại chỗ với liều hấp thụ tập trung trong vòng 6 tháng mà hoàn toàn không gây tổn thương các mô lành xung quanh như trực tràng và bàng quang.

Tạp chất Iodine-126 xuất hiện từ đâu và vì sao phải khống chế dưới 1%?
Iodine-126 sinh ra từ phản ứng phụ do Iodine-125 vừa tạo thành tiếp tục bắt nơtron trong lò. Do Iodine-126 phát bức xạ gamma năng lượng cao tới 1,4 MeV gây tổn thương mô lành nghiêm trọng, tiêu chuẩn y tế quốc tế bắt buộc phải kiểm soát tỷ lệ Iodine-126/Iodine-125 dưới 1% thông qua việc tối ưu thời gian chiếu và làm nguội.

Sản xuất Iodine-125 theo vòng lặp tuần hoàn vượt trội hơn sản xuất theo mẻ như thế nào?
Phương pháp vòng lặp tuần hoàn đưa khí Xenon ra khỏi vùng chiếu sau mỗi 17 giờ để phân rã trong buồng riêng, giúp sản phẩm Iodine-125 không bị nơtron tiếp tục bắn phá. Kỹ thuật này nâng hoạt độ riêng lên trên 16700 Ci/g, kiểm soát tạp chất Iodine-126 ở mức 0,413% ngay cả khi sử dụng nguồn bia Xenon tự nhiên.

Thời gian làm nguội 113 giờ trong buồng phân rã có ý nghĩa then chốt ra sao?
Chu kỳ bán rã của Xenon-125 là 18 giờ. Khoảng thời gian làm nguội 113 giờ tương đương hơn 6 chu kỳ bán hủy, giúp hơn 90% hạt nhân Xenon-125 phân rã hoàn toàn thành Iodine-125 và bám dính vào thành buồng hấp thụ trước khi khí Xenon chưa phân rã được bơm tuần hoàn trở lại vùng hoạt.

Chương trình tính toán trong luận văn có thể mở rộng cho các đồng vị nào khác?
Mô hình toán học hướng đối tượng và thuật toán Runge-Kutta bậc 4 trong luận văn được thiết kế dạng module mở rộng. Chương trình hoàn toàn có thể áp dụng trực tiếp để mô phỏng chính xác động học sản xuất các đồng vị y học quan trọng khác như Strontium-89, Samarium-153, Rhenium-186 và Rhenium-188 trong lò phản ứng hạt nhân.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công hệ phương trình vi phân mô tả chính xác quá trình biến đổi hạt nhân của 9 đồng vị trong chuỗi sản xuất Iodine-125 từ bia khí Xenon-124.
• Ứng dụng xuất sắc thuật toán tích phân số Runge-Kutta bậc 4 trên phần mềm chuyên dụng, cho kết quả kiểm chứng hoàn toàn trùng khớp với số liệu chuẩn của IAEA với độ tin cậy cao.
• Chứng minh tính ưu việt của phương pháp chiếu xạ vòng lặp tuần hoàn khi tạo ra hơn 5,8 Ci Iodine-125 với độ sạch tạp chất Iodine-126 đạt 0,413% và hoạt độ riêng vượt 16780 Ci/g.
• Xác lập bộ thông số công nghệ chiếu xạ và phân rã tối ưu hóa hoàn toàn tương thích với cấu hình thực tế của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
• Cung cấp cơ sở lý thuyết và công cụ mô phỏng chuẩn xác phục vụ trực tiếp chiến lược tự chủ sản xuất dược chất phóng xạ phục vụ y tế tại Việt Nam giai đoạn 2026 - 2030.

Để thúc đẩy việc hiện thực hóa các kết quả tính toán vào thực tiễn, các nhà khoa học, kỹ sư hạt nhân và cơ sở y tế có thể kết nối, ứng dụng mô hình công nghệ này nhằm sớm đưa dây chuyền sản xuất hạt phóng xạ Iodine-125 nội địa vào vận hành thường quy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: T ng quan về sản xuất đồng vị phóng xạ trong lò hạt nhân nghiên cứu  Chương 2: Tính toán quá trình sản xuất Iodine – 125 từ khí Xenon – 124 chiếu xạ bởi dòng nơtron nhiệt trong lò phản ứng  Chương 3: Kết quả tính toán và bàn luận 14 Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG LÒ HẠT NHÂN NGHIÊN CỨU Đồng vị phóng xạ có những ứng dụng rộng rãi trong một số lĩnh vực như y học, công nghiệp và nghiên cứu. Sản xuất đồng vị phóng xạ, hợp chất đánh dấu, nguồn phóng xạ đáp ứng nhu cầu của các ngành kinh tế, kỹ thuật đã trở thành các chương trình cấp quốc gia của hầu hết các nước thành viên Nguyên tử năng quốc tế (IAEA). Chỉ có hai công cụ để sản xuất các đồng vị phóng xạ nhân tạo là lò phản ứng hạt nhân và máy gia tốc. Đồng vị phóng xạ sản xuất trong lò phản ứng chiếm một tỷ lệ lớn hơn nhiều đồng vị phóng xạ sản xuất trên máy gia tốc.

Vì lò phản ứng có khả năng chiếu xạ mẫu có khối lượng, thể tích lớn, nhiều hốc chiếu đồng thời. Trong khi đó, máy gia tốc chỉ dùng để sản xuất các đồng vị không thể sản xuất trong lò phản ứng hoặc các đồng vị đòi hỏi các tính chất đặc biệt. Quá trình sản xuất đồng vị phóng xạ bao gồm một số bước cơ bản sau: - Chế tạo bia (Target) - Chiếu xạ bia trong lò phản ứng hoặc trên máy gia tốc - Vận chuyển bia đã chiếu xạ đến phòng thí nghiệm phóng xạ - Xử lý hóa học bia đã chiếu xạ, thu sản phẩm mong muốn - Kiểm tra chất lượng sản phẩm theo yêu cầu của mục đích sử dụng - Đóng gói, vận chuyển đến nơi sử dụng. Tất cả các bước đều cần các chuyên gia được đào tạo chuyên sâu về Vật lý hạt nhân, Hóa - dược phóng xạ, an toàn bức xạ và điện tử - điều khiển tự động.

Các cơ sở sản xuất đều cần có hạ tầng thiết kế, xây dựng thích hợp và trang thiết bị chuyên dụng như Hotcell, tay máy (manipulator), Robot, máy t ng hợp tự động (Synthesizer), các máy ghi đo, theo dõi, cảnh báo bức xạ và các máy kiểm tra chất lượng tích hợp đầu đo phóng xạ. Lập trình tính toán trình bày trong luận văn này là dự báo tích lũy ròng của các đồng vị Iodine - 125, Iodine - 126 và Iodine - 127 được sản sinh từ phản ứng hạt 15 nhân 124Xe (n,γ)125Xe. Số liệu tính toán thu được không những cho phép dự báo sự ảnh hưởng đồng thời của các thông số điều khiển; Dự báo điều kiện tối ưu cho sản xuất mà còn giảm thiểu rủi ro, giảm chi phí thực hành, xử lý, mẫu nóng. Đó là ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài luận văn này.

Sản xuất đồng vị trong lò nghiên cứu Theo tài liệu của IAEA [7], hiện tại có 278 lò nghiên cứu đang hoạt động trong đó có 73 lò được sử dụng thường quy cho sản xuất đồng vị. Số này được phân làm 2 loại: - Lò nghiên cứu nước nhẹ dạng bể (Swimming Pool Reactor): Dùng Uranium giàu làm thanh nhiên liệu và nước nhẹ để làm chậm và tải nhiệt. Lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt thuộc loại này với cấu hình vùng hoạt chứa 104 bó thanh nhiên liệu trong đó có 98 bó HEU (Highly Enriched Uranium) có độ giàu Uranium - 235 là 36% và 6 bó LEU (Low Enriched Uranium) có độ giàu Uranium - 235 là 19,75% [4]. - Lò nghiên cứu nước nặng dạng thùng (Tank Type Reactor): Dùng nhiên liệu Uranium tự nhiên và nước nặng (D2O) làm chậm và tải nhiệt, phân rã.